模具高速加工技术和策略

HEATS

　　1引言

/ y/ D8 y9 v( {) v* t 6 Q9 w! Q" f( D% _: ?, w2 m1 E" @1 X2 i

　　作为现代先进制造技术中最重要的共性技术之一的高速加工技术代表了切削加工的发展方向，并逐渐成为切削加工的主流技术。高速切削中的“高速”是一个相对概念，对于不同的加工方式及工件材料，高速切削时采用的切削速度并不相同。一般来说，高速切削采用的切削速度比常规切削速度高5～10倍以上。由于高速切削技术的应用可显著提高加工效率和加工精度、降低切削力、减小切削热对工件的影响、实现工序集约化等，因此已在航空航天、模具制造、汽车制造、精密机械等领域得到广泛应用，并取得了良好的技术经济效益。

* |2 l6 o) I" U7 E1 o

　　在现代模具的成形制造中，由于模具的形面设计日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，因此对模具加工技术提出了更高要求，即不仅应保证高的制造精度和表面质量，而且要追求加工表面的美观。随着对高速加工技术的研究不断深入，尤其在加工机床、数控系统、刀具系统、CAD/CAM软件等相关技术不断发展的推动下，高速加工技术已越来越多地应用于模具的制造加工。

　　高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响，改变了传统模具加工采用的“退火→铣削加工→热处理→磨削”或“电火花加工→手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。高速加工技术除可应用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM电极加工、快速样件制造等方面也得到广泛应用。大量生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约80%的手工研磨时间，节约加工成本费用近30%，模具表面加工精度可达1μm，刀具切削效率可提高一倍。

7 Y0 `) K. Z' r, y ]/ E 9 e2 }9 c" n5 a' l3 [

　　2模具高速加工对加工系统的要求

4 x( Y8 F. ]0 j, i 3 P" `+ P' X y+ ?1 A6 h% S

　　由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点，对模具高速加工的相关技术及工艺系统(加工机床、数控系统、刀具等)提出了比传统模具加工更高的要求。

　　1)机床主轴

/ }- j/ P3 A. p& f, [ a2 q9 r: p- p8 u1 U. {

　　高速机床的主轴性能是实现高速切削加工的重要条件。高速切削机床主轴的转速范围为10,000～100,000m/min，并要求主轴具有快速升速、在指定位置快速准停的性能(即具有极高的角加减速度)，因此高速主轴常采用液体静压轴承式、空气静压轴承式、磁悬浮轴承式等结构形式。

8 X9 ^9 ]! J: p

　　2)机床驱动系统

　　为满足模具高速加工的需要，加工机床的驱动系统应具有下列特性：

5 Y3 t0 F9 @" Y; I% m% Q8 B

　　a.高的进给速度。研究表明，对于小直径刀具，提高转速和每齿进给量有利于降低刀具磨损。目前常用的进给速度范围为20～30m/min，如采用大导程滚珠丝杠传动，进给速度可达60m/min；采用直线电机则可使进给速度达到120m/min。

+ ~$ m5 v7 _/ G5 U

　　b.高的加速度。对三维复杂曲面廓形的高速加工要求驱动系统具有良好的加速度特性，驱动系统加速度应达到20～40m/s2。

8 d0 W; l9 l, E2 x/ Z

　　c.高的速度增益因子(Velocity gain factor)KV。为达到较高的三维轮廓动态精度以及最小的滞后，一般要求速度增益因子KV=20～30(m/min)/mm。

　　3)数控系统

　　先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素，模具高速切削加工对数控系统的基本要求为：

. {! T. r& z- u; O+ _! o

　　a.高速的数字控制回路(Digital control loop)。包括：32位或64位处理器及1.5Gb以上的硬盘；极短的直线电机采样时间(小于500μs)

& j4 @% `1 E) I7 t8 R. S7 Z' G- N 1 c# W4 j2 {/ h1 E3 I9 F) t

　　b.速度和加速度的前馈控制(Feed forward control)；数字驱动系统的爬行控制(Jerk control)。

　　c.先进的插补方法(基于NURBS的样条插补)，以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度.

, ~6 _; p, I b a4 \. L' R+ W 5 y9 N' H) x2 {4 b/ t: j

　　d.预处理(Look-ahead)功能。要求具有大容量缓冲寄存器，可预先阅读和检查多个程序段(如DMG机床可多达500个程序段，Simens系统可达1000～2000个程序段)，以便在被加工表面形状(曲率)发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。

4 e' [+ ]0 |1 \

　　e.误差补偿功能。包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。

\0 _9 [& q$ M* J7 S8 z& q

　　此外，模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。传统的数据接口如RS232串行口的传输速度为19.2kb，而许多先进的加工中心均已采用以太局域网(Ethernet)进行数据传输，速度可达200kb。

& u. }/ {" D" ?9 {: [! E" T3 ?8 J % p3 h2 f8 K/ x

　　4)高速切削刀具系统

/ {& Y% p- M6 ?3 v. e% |

　　高速切削刀具系统的主要发展趋势是空心锥部和主轴端面同时接触的双定位式刀柄(如德国OTT公司的HSK刀柄、美国Kennametal公司的KM刀柄等)，其轴向定位精度可达0.001mm。在高速旋转的离心力作用下，刀夹锁紧更为牢固，其径向跳动不超过5μm。用于高速切削加工的刀具材料主要有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼(PCBN)、聚晶金刚石等。为满足模具高速加工的要求，刀具技术的发展主要集中在新型涂层材料与涂层方法的研究、新型刀具结构的开发等方面。

9 g6 W3 O. ?) \8 W- v$ @1 N 1 x* z' e" t9 j% C; i0 k5 i

　　3模具高速加工工艺及策略

　　1)粗加工

7 ]+ A, z( W* x

　　模具粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。图1所示为粗加工过程中工件轮廓形状对刀具载荷的影响。由图可见，在切削过程中因切削层金属面积发生变化，导致刀具承受的载荷发生变化，使切削过程不稳定，刀具磨损速度不均匀，加工表面质量下降。目前开发的许多CAM软件可通过以下措施保持切削条件恒定，从而获得良好的加工质量。

! A6 h4 E+ b* Z

　　粗加工时工件轮廓形状对刀具载荷的影响a.恒定的切削载荷。通过计算获得恒定的切削层面积和材料去除率，使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡，以提高刀具寿命和加工质量。

% Y7 g' ^* A$ h 6 Q8 ^" q( U( T! K" _

　　b.避免突然改变刀具进给方向。

( D6 Q7 T$ @$ T

　　c.避免将刀具埋入工件。如加工模具型腔时，应避免刀具垂直插入工件，而应采用倾斜下刀方式(常用倾斜角为20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷；加工模具型芯时，应尽量先从工件外部下刀然后水平切入工件。

, T: {8 P4 t! {3 d; d! \

　　d.刀具切入、切出工件时应尽可能采用倾斜式(或圆弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。

" k2 [5 m. W. P8 j6 @- M 1 G9 _% Q0 |% U5 G, l5 ~

　　e.采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削热，减小刀具受力和加工硬化程度，提高加工质量。

8 [. p! F V: ]1 r! ^

　　2)半精加工

* t8 r2 ?5 e1 d- ?9 n

　　模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面精加工余量均匀，这对于工具钢模具尤为重要，因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化，从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量。

　　粗加工是基于体积模型(Volume model)，精加工则是基于面模型(Surface model)。而以前开发的CAD/CAM系统对零件的几何描述是不连续的，由于没有描述粗加工后、精加工前加工模型的中间信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此应对半精加工策略进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括：粗加工后轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。

　　现有的模具高速加工CAD/CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能，并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form软件提供了束状铣削(Pencil milling)和剩余铣削(Rest milling)等方法来清除粗加工后剩余加工余量较大的角落以保证后续工序均匀的加工余量。Pro/Engineer软件的局部铣削(Local milling)具有相似的功能，如局部铣削工序的剩余加工余量取值与粗加工相等，该工序只用一把小直径铣刀来清除粗加工未切到的角落，然后再进行半精加工；如果取局部铣削工序的剩余加工余量值作为半精加工的剩余加工余量，则该工序不仅可清除粗加工未切到的角落，还可完成半精加工。

　　3)精加工

. x! E; G8 |+ m8 ^" \' o " r6 z$ [+ l% T( N/ ^) e

　　模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点，而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工(见图2)，应尽可能在一个工序中进行连续加工，而不是对各个曲面分别进行加工，以减少抬刀、下刀的次数。然而由于加工中表面斜率的变化，如果只定义加工的侧吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上实际步距不均匀，从而影响加工质量。

5 R- J5 P& E E, X9 q 9 f8 c1 s, `& w) V& p

　　组合曲面的加工Pro/Engineer解决上述问题的方法是在定义侧吃刀量的同时，再定义加工表面残留面积高度(Scallop machine)；Hyper Mill则提供了等步距加工(Equidistant machine)方式，可保证走刀路径间均匀的侧吃刀量，而不受表面斜率及曲率的限制，保证刀具在切削过程中始终承受均匀的载荷。

5 z0 l, W4 U' f+ `" q0 x% A& B

　　一般情况下，精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍，以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件时，进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接，避免采用直线转接，以保持切削过程的平稳性。

; c- x( @ b. e7 r' ?9 R6 V

　　4)进给速度的优化

' z0 y7 X+ }, w& f8 ] & W. T7 Q0 r+ ^- y6 F% {# j

　　目前很多CAM软件都具有进给速度的优化调整功能(如图3所示)：在半精加工过程中，当切削层面积大时降低进给速度，而切削层面积小时增大进给速度。应用进给速度的优化调整可使切削过程平稳，提高加工表面质量。切削层面积的大小完全由CAM软件自动计算，进给速度的调整可由用户根据加工要求来设置。

1 ^, ~- K( z3 B' h

　　4结语

0 x0 L0 \/ M* X9 \

　　模具高速加工技术是多种先进加工技术的集成，不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，大力发展和推广应用模具高速加工技术对促进我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高具有重要意义。 【MechNet】